混凝土橋梁裂縫形成機(jī)制分析及防治措施研究

徐遠(yuǎn)紅

(銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

1 橋梁裂縫形成機(jī)制

1.1 荷載裂縫

荷載裂縫也稱結(jié)構(gòu)性裂縫，指的是橋梁受動(dòng)靜荷載與次應(yīng)力持續(xù)作用后導(dǎo)致的開裂，包括直接應(yīng)力裂縫與次應(yīng)力裂縫。其中，直接應(yīng)力裂縫是指受外荷載作用產(chǎn)生的直接應(yīng)力導(dǎo)致的開裂，具體產(chǎn)生原因包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中有漏算，或所用計(jì)算模型欠合理，或結(jié)構(gòu)受力假設(shè)條件和實(shí)際受力情況不符，或?qū)?nèi)力和配筋進(jìn)行的計(jì)算有誤，或結(jié)構(gòu)自身安全系數(shù)較低；在施工過程中對(duì)各類施工機(jī)具與材料的堆放未加限制，未能了解不同結(jié)構(gòu)自身受力特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有較強(qiáng)隨意性，未能按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，圖紙和設(shè)計(jì)之間存在較大誤差，擅自改變施工程序；在橋梁使用時(shí)存在超重車輛，重量超過設(shè)計(jì)載荷，車輛或船舶對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成撞擊等[1]。

荷載裂縫的類型包括剪力裂縫和彎曲裂縫，剪力裂縫一般發(fā)生于主梁支點(diǎn)附近梁腹底部，一般為斜裂縫；彎曲裂縫發(fā)生于構(gòu)件最大拉應(yīng)力區(qū)，呈垂直狀，往壓力區(qū)發(fā)展，一般在構(gòu)件跨中底部最易發(fā)生[2]。

1.2 溫度裂縫

混凝土是一種熱脹冷縮性質(zhì)十分顯著的建筑材料，倘若外部溫度或結(jié)構(gòu)體系中的溫度出現(xiàn)明顯變化，則會(huì)使混凝土產(chǎn)生一定程度的變形，如果這種變形受到約束，則會(huì)在結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中產(chǎn)生一定應(yīng)力，在這一應(yīng)力超出混凝土自身抗拉強(qiáng)度后，就會(huì)產(chǎn)生開裂。對(duì)跨徑相對(duì)較大的橋梁而言，溫度應(yīng)力甚至可以超過活載應(yīng)力。對(duì)于溫度裂縫，其最顯著的特點(diǎn)在于裂縫寬度會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓淖?。太?yáng)光的照射與突然降溫是使結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)溫度裂縫現(xiàn)象的主要原因。

1.3 收縮裂縫

在實(shí)際橋梁工程中，由于混凝土自身產(chǎn)生收縮導(dǎo)致的裂縫是一種十分常見的現(xiàn)象，以混凝土表面龜裂的網(wǎng)狀裂縫居多。在不同的收縮類型當(dāng)中，以塑性收縮與干縮最為主要，會(huì)使混凝土體積出現(xiàn)明顯變化，此外還包括自生收縮與碳化收縮。對(duì)于塑性收縮，主要產(chǎn)生于施工階段，將混凝土澆筑到位后4～5h此時(shí)水泥正在進(jìn)行水化反應(yīng)，逐步形成分子鏈，在產(chǎn)生泌水的同時(shí)水分大量蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土因失水而發(fā)生收縮。對(duì)此在施工過程中需要對(duì)混凝土水灰比予以嚴(yán)格控制，防止長(zhǎng)時(shí)間攪拌，且下料速度不能過快，振搗要均勻和充分，對(duì)于豎向變截面部位建議采用分層澆筑的方法，最后在澆筑結(jié)束后立即養(yǎng)護(hù)。對(duì)于干縮，是指在混凝土達(dá)到結(jié)硬狀態(tài)后，伴隨混凝土表面水分不斷蒸發(fā)，濕度進(jìn)一步降低，使混凝土體積有所減小。由于混凝土表面的失水速度大于內(nèi)部，所以會(huì)出現(xiàn)不均勻收縮，在表面發(fā)生的收縮變形如果受到內(nèi)部約束作用，則會(huì)使結(jié)構(gòu)承受一定程度的拉力，在這一拉力超出極限抗拉強(qiáng)度后，就會(huì)引起收縮裂縫。對(duì)于自生收縮，是指在混凝土持續(xù)硬化時(shí)水泥和水之間發(fā)生水化反映，它與外界濕度沒有直接關(guān)系，而且收縮與膨脹都有可能發(fā)生。最后，對(duì)于碳化收縮，是指空氣含有的CO2和水泥水化反應(yīng)生成的水化物之間發(fā)生一系列反應(yīng)導(dǎo)致的收縮變形現(xiàn)象。這種收縮對(duì)濕度有苛刻的要求，即只能在濕度為50%時(shí)才可以發(fā)生，并且還會(huì)伴隨CO2實(shí)際濃度的不斷提高而加快[3]。

1.4 地基基礎(chǔ)導(dǎo)致的裂縫

因基礎(chǔ)沿豎向出現(xiàn)不均勻沉降或沿水平方向發(fā)生位移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系中出現(xiàn)一定附加應(yīng)力，在這一應(yīng)力超出結(jié)構(gòu)自身抗拉能力后，就會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象的原因包括：1)前期地質(zhì)勘察工作的精度不足，缺乏準(zhǔn)確的試驗(yàn)資料；2)地質(zhì)土質(zhì)存在顯著差異。在山區(qū)溝谷中修筑的橋梁，河溝和山坡的地質(zhì)條件有很大變化，且河溝范圍內(nèi)分布大面積軟弱地基，這種壓縮性上的差異就會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生[4]；3)結(jié)構(gòu)所用基礎(chǔ)的類型有很大差別，在同一聯(lián)橋梁當(dāng)中，使用多種基礎(chǔ)類型，如擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)，或只使用樁基，但樁長(zhǎng)或樁徑存在明顯差別，或只使用擴(kuò)大基礎(chǔ)，但其底部標(biāo)高存在明顯差別，都有可能導(dǎo)致地基出現(xiàn)不均勻沉降；4)分期建造而成的基礎(chǔ)更容易產(chǎn)生不均勻沉降；5)地基發(fā)生凍脹，溫度回升后地基范圍內(nèi)的凍土融化，導(dǎo)致地基下沉?？梢?，無(wú)論是地基冰凍還是融化，都會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生[5]。

1.5 施工裂縫

1)保護(hù)層厚度過大或施工人員直接踩踏綁扎完成的上層鋼筋，導(dǎo)致受力筋保護(hù)層厚度增加，這樣會(huì)使構(gòu)件自身有效高度大幅減小，產(chǎn)生和受力鋼筋分布方向保持垂直的裂縫；2)混凝土振搗未能達(dá)到密實(shí)和均勻，出現(xiàn)包含蜂窩麻面與空洞等在內(nèi)的各類缺陷；3)混凝土拌制與運(yùn)輸時(shí)間未能達(dá)到有效控制，導(dǎo)致水分大量蒸發(fā)，使混凝土自身坍落度相對(duì)較低，產(chǎn)生分布不規(guī)則的裂縫，這種裂縫以收縮裂縫為主；施工時(shí)澆筑速度過快，在硬化之前由于混凝土未能達(dá)到沉實(shí)，而在硬化之后大量沉實(shí)，在一段時(shí)間后出現(xiàn)開裂；4)對(duì)混凝土進(jìn)行初期養(yǎng)護(hù)時(shí)過于干燥，導(dǎo)致混凝土和大氣直接接觸的表面產(chǎn)生若干收縮裂縫，這種裂縫分布往往不規(guī)則；5)在泵送施工過程中為了使混凝土有良好的流動(dòng)性，提高水與水泥的實(shí)際用量，或由于其它方面的原因增大水灰比，導(dǎo)致凝結(jié)硬化過程中收縮量大幅增加，最終在混凝土上產(chǎn)生若干分布不規(guī)則的裂縫；6)對(duì)混凝土進(jìn)行分段或分層澆筑過程中未能有效處理接頭部位，導(dǎo)致在新舊兩部分混凝土之間或在施工縫之間產(chǎn)生開裂。

2 橋梁裂縫防治措施

2.1 裂縫修補(bǔ)

裂縫修補(bǔ)常用方法為封閉寬度在0.15mm以內(nèi)的裂縫，常用方法為均勻涂刷一層高分子樹脂材料；對(duì)于寬度達(dá)到0.15mm及以上的裂縫，可使用灌漿的方法處理。

以裂縫寬度為依據(jù)采取適宜的方法封閉混凝土裂縫，如果裂縫寬度在0.2mm以內(nèi)，則進(jìn)行表面封閉處理即可；如果裂縫寬度為0.2～0.3mm，則可進(jìn)行灌漿處理，對(duì)還存在活動(dòng)趨勢(shì)的裂縫，建議采用柔性材料作為灌漿材料；對(duì)寬度超過0.5mm的裂縫，應(yīng)先進(jìn)行開槽再用聚合物砂漿進(jìn)行填補(bǔ)。低壓注漿是當(dāng)前較為常用的裂縫處理方法，采用該方法進(jìn)行施工時(shí)，要注意以下幾方面要點(diǎn)：當(dāng)表面存在防風(fēng)化或防滲要求時(shí)間，需在裂縫處理前進(jìn)行必要的表面處理；對(duì)于可能影響到結(jié)構(gòu)體系整體性和防滲性或可能導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生銹蝕的裂縫，必須采用灌漿的方法處理；對(duì)可能威脅到建筑安全使用的裂縫，除了要進(jìn)行灌漿處理，還要適時(shí)采取其它方式進(jìn)行加固；對(duì)溫度有敏感反映的裂縫，需在后期裂縫開度明顯變大后立即處理；對(duì)于活動(dòng)性裂縫，宜使用柔性材料及時(shí)處理。

2.2 裂縫加固

2.2.1 裂縫加固基本原理

梁結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，同時(shí)受到彎矩M與剪力F的，荷載在梁結(jié)構(gòu)上即產(chǎn)生彎矩又產(chǎn)生剪力。梁結(jié)構(gòu)不同截面上彎矩與剪力的量值有差異，根據(jù)材料力學(xué)給出的彈性狀態(tài)下正應(yīng)力的計(jì)算公式，荷載作用下主梁產(chǎn)生的正應(yīng)力σ、荷載對(duì)主梁產(chǎn)生的彎矩M、主梁截面的幾何抗彎彈性模量E之間存在σ=M/E的關(guān)系，也就是說，梁式橋梁的主要受力情況由三個(gè)因素決定，即由荷載(荷載P、活載q)作用產(chǎn)生的內(nèi)力(彎矩M)、主梁截面的面積AS決定的截面幾何特性(慣性矩I、幾何抗彎彈性模量E)及材料的而自身強(qiáng)度決定。

當(dāng)外界條件改變，如荷載增加，對(duì)橋梁引起的內(nèi)力增大，超過主梁結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度允許范圍時(shí)，必然造成橋梁開裂；隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，各種外界因素導(dǎo)致材料性能惡化、強(qiáng)度降低，也將造成橋梁承載能下降、開裂。

當(dāng)前梁式橋加固的方法和技術(shù)種類繁多，但是基本原理是相同的，都是遵循力學(xué)的基本原理，即為了減少主梁承受的拉應(yīng)力或增強(qiáng)主梁承受拉應(yīng)力的能力，滿足結(jié)構(gòu)受力的需要，提高橋梁承載能力。

2.2.2 裂縫加固常見方法

增大截面法。該方式是指在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)額外澆筑一層厚度適宜的混凝土，使受彎構(gòu)件自身截面高度與鋼筋面積顯著增加，作為一種常規(guī)方法得到了廣泛應(yīng)用。按照增大截面具體位置，可將其分成兩種情況，即頂部加強(qiáng)與底部加強(qiáng)。其中，頂部加強(qiáng)是指通過增加橋面板厚度或增鋪鋪裝層補(bǔ)強(qiáng)整個(gè)受壓區(qū)，使其受力面積與梁體高度均有所提高，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的承載力。對(duì)I型梁橋與T型梁橋而言，推薦使用底部加強(qiáng)的方法，也就是增加梁底處的主梁腹板高度，或增加梁側(cè)腹板寬度，同時(shí)增大沿縱向布置的受拉鋼筋的實(shí)際面積。該方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于確保新舊兩部分混凝土達(dá)到良好結(jié)合，對(duì)結(jié)合面進(jìn)行鑿毛清理，也可采用設(shè)置剪力鍵的方法。該施工工藝有很高的成熟度，能大幅提高結(jié)構(gòu)截面剛度，結(jié)構(gòu)承載力也能得到顯著提升，而且結(jié)構(gòu)計(jì)算也十分簡(jiǎn)單。

粘鋼加固。該方法是指在待加固部位使用專用結(jié)構(gòu)膠粘貼一層鋼板，以此和既有結(jié)構(gòu)之間形成一個(gè)整體，在提高剛度的同時(shí)限制裂縫不斷擴(kuò)展，以此提高橋梁整體承載力。將鋼板粘貼到位后，與結(jié)構(gòu)中的原有鋼筋一同承受外部荷載持續(xù)作用，在進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的過程中，可將粘貼鋼板換算成鋼筋面積，以此承受新增加的荷載，以此簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算。相較于傳統(tǒng)加固方法，該方法的優(yōu)劣勢(shì)為。

1)施工相對(duì)容易，工期短，結(jié)構(gòu)截面尺寸不會(huì)發(fā)生變化，也不會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，施工需要的場(chǎng)地與空間都較小，無(wú)需使用大型器具，成型速度快，施工對(duì)橋面正常交通造成的影響較小，加固時(shí)使用的鋼板不會(huì)占用太大空間，使原截面尺寸與凈空均得以保留，基本不影響結(jié)構(gòu)整體外觀，完成加固后原結(jié)構(gòu)整體重量與截面積小幅增加，無(wú)需對(duì)基礎(chǔ)或其它部位實(shí)施連鎖加固。

2)加固效果良好，施工工藝成熟，經(jīng)濟(jì)性好，強(qiáng)度與剛度較大，加固梁還能表現(xiàn)出良好延性。施工后承載力得以大幅提升，截至目前該方法已經(jīng)經(jīng)歷很長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)展，操作工藝成熟，材料的消耗量少，經(jīng)濟(jì)性好。

3)抗腐蝕與抗疲勞性能相對(duì)較差，容易出現(xiàn)粘結(jié)破壞現(xiàn)象。因粘鋼加固采用鋼材作為外貼材料，所以其耐化學(xué)腐蝕與耐潮濕能力很差。在實(shí)際的加固施工中，需要對(duì)膠結(jié)材料所用施工工藝予以嚴(yán)格控制，并采用錨固的方法使粘貼達(dá)到牢固。在充分考慮錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，為防止自由端的鋼板由于脫膠被拉開，可在端部使用夾緊螺栓進(jìn)行固定，也可采用布置U形箍板的方式。

4)該加固方法的優(yōu)劣勢(shì)在很大程度上決定了它的具體適用范圍與條件，主要用于由于設(shè)計(jì)疏忽或施工不當(dāng)導(dǎo)致的受力鋼筋不足，使結(jié)構(gòu)體系的承載能力切實(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。綜合考慮鋼材和粘結(jié)材料自身特性，通常需要在溫度低于60℃且相對(duì)濕度不超過70%的情況下施工，若橋梁所處環(huán)境較為惡劣，則要采取合理可行的保護(hù)措施。為了使鋼板的粘結(jié)達(dá)到可靠，所用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)需達(dá)到C20及以上。該方法施工會(huì)受到結(jié)構(gòu)形狀直接影響，部分情況下的施工有很大難度。粘貼鋼板加固施工工藝流程如圖1所示。

圖1 粘貼鋼板加固施工工藝流程圖

2.2.3 碳纖維復(fù)合材料加固

該加固方法是指待加固區(qū)域通過粘貼碳纖維復(fù)合材料來(lái)改善局部結(jié)構(gòu)受力特性，預(yù)防新裂縫產(chǎn)生，延緩既有裂縫擴(kuò)展，該加固方法主要具有以下幾方面特點(diǎn)。

1)重量輕、強(qiáng)度大、施工方便、基本不會(huì)受到構(gòu)件外部形狀的限制，也不會(huì)使結(jié)構(gòu)的截面尺寸發(fā)生變化。不會(huì)增加結(jié)構(gòu)荷載，也無(wú)需使用大型機(jī)械設(shè)備，對(duì)施工空間的要求相對(duì)較小，能快速完成施工，減輕對(duì)正常交通造成的影響，可適應(yīng)多種外形情況；2)加固不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成任何損傷，采用專門的粘結(jié)材料在待加固混凝土表面粘貼碳纖維布，對(duì)原結(jié)構(gòu)沒有任何損傷破壞；3)耐久性能良好。無(wú)論是碳纖維復(fù)合材料還是粘結(jié)材料，都能有效抵抗不同介質(zhì)的腐蝕作用，尤其是當(dāng)受彎構(gòu)件底部產(chǎn)生裂縫時(shí)，能有效阻止進(jìn)水，避免鋼筋發(fā)生銹蝕，并能延緩混凝土碳化，改善既有結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)性能；4)既有裂縫修復(fù)與剛度提升效果并不顯著，且防火性能相對(duì)較差。該加固方法因材料截面抗彎慣性矩相對(duì)較小，所以對(duì)既有裂縫基本沒有閉合的效果，但由于該方法工藝簡(jiǎn)單、速度快，所以一經(jīng)出現(xiàn)就得到了廣泛應(yīng)用，伴隨這種材料性能的不斷改善提高，以及價(jià)格的持續(xù)降低，在未來(lái)加固施工中必定得到進(jìn)一步發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

在橋梁運(yùn)營(yíng)管理過程中應(yīng)通過檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫問題，并根據(jù)其產(chǎn)生原因和具體部位，采取有效措施的加以處理，以此減輕裂縫造成的影響與破壞，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。以上對(duì)橋梁裂縫形成機(jī)制及相應(yīng)的防治措施進(jìn)行了初步分析與總結(jié)，旨在為實(shí)際的橋梁裂縫防治工作提供可靠技術(shù)參考。